模塊電源的應(yīng)用過程
模塊電源是可以直接安裝在印刷電路板上使用的電源模塊,它可以用于數(shù)字或模擬負載的供電應(yīng)用場合。 電源模塊化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢,其可以提高電源系統(tǒng)的工作可靠性、可用性、使用方便性,縮短電源的維修和維護時間,得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
而與模塊電源相關(guān)的技術(shù)包括集成電路的制造、封裝,高頻功率變換、數(shù)字化控制、全諧振高頻軟開關(guān)、同步整流、智能化控制、電磁兼容、功率因數(shù)校正、電源保護控制、并聯(lián)均流控制、脈寬調(diào)制等技術(shù)。
隨著半導(dǎo)體工藝和封裝技術(shù)的改進,高頻軟開關(guān)技術(shù)的大量應(yīng)用,模塊電源的功率密度越做越高,模塊電源的功率變換效率也越來越高,體積越來越小,出現(xiàn)了芯片級的模塊電源。
世界電源市場的分布
1 按品牌劃分
據(jù)2007年在美國舉辦的APEC(應(yīng)用功率電子會議)會議給出的有關(guān)數(shù)據(jù)指出,全球電源市場按品牌劃分
?、儆?家臺灣企業(yè),2家日本企業(yè)(含TDK-Lambda),2家美國企業(yè),1家歐洲企業(yè)名列前位;
②第15大電源企業(yè)的年收入約為200M$;
?、勰壳爸袊箨戇€沒有年收入大于50M$的電源企業(yè)。
2 按功率半導(dǎo)體器件市場分布劃分
全球功率半導(dǎo)體器件市場分布
①有4家美國廠商名列前位;
?、?0強企業(yè)中沒有臺灣企業(yè)和中國大陸企業(yè)參與;
③從全球的角度而言臺灣企業(yè)(如MINMAX,Panjit,TaiwanSemi,DCComponents)的規(guī)模還是偏小;
?、苣壳爸袊箨懫髽I(yè)的規(guī)模還是偏小。(如上海多商電子)
模塊開關(guān)電源設(shè)計中的挑戰(zhàn)
1 提高開關(guān)電源的工作效率
①降低功率開關(guān)管的開關(guān)損耗;
?、谧畲笙薅鹊亟档痛判栽骷墓β蕮p耗(例如,開關(guān)變壓器的磁芯損耗、近場效應(yīng)損耗、線圈損耗和渦流損耗等)。
2 提高模塊開關(guān)電源系統(tǒng)的工作可靠性
3 降低模塊開關(guān)電源系統(tǒng)的造價
4 更高的功率密度
提高模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的功率密度,可以從以下三個方面入手。一是采用先進的電路拓撲和功率變換技術(shù),提高模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的工作效率,降低模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的損耗;二是減小模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的各部件體積并采用緊湊型工藝結(jié)構(gòu);三是改進模塊開關(guān)電源產(chǎn)品的熱設(shè)計,使在高功率密度條件下模塊開關(guān)電源產(chǎn)品能很好的散熱。
5 更快的控制環(huán)路響應(yīng)等
模塊開關(guān)電源的優(yōu)點和主要技術(shù)指標(biāo)
1 模塊開關(guān)電源主要有以下優(yōu)點
?、偈褂渺`活、簡單和方便;
?、诳s短了電源的開發(fā)周期;
③模塊開關(guān)電源由于采用全自動化生產(chǎn)和高科技生產(chǎn)技術(shù),因此模塊開關(guān)電源的品質(zhì)穩(wěn)定、工作可靠;
④模塊開關(guān)電源的應(yīng)用范圍廣,可廣泛應(yīng)用于電信、自動控制、儀器儀表、發(fā)電配電、家用電器、冶金礦山、機車、艦船、軍工兵器、航空航天和科學(xué)實驗等領(lǐng)域,尤其在高可靠和高技術(shù)領(lǐng)域模塊開關(guān)電源發(fā)揮著的重要作用。
模塊開關(guān)電源的常用技術(shù)指標(biāo)
模塊開關(guān)電源常用技術(shù)指標(biāo)有最大輸出功率、輸出電壓精度、源電壓效應(yīng)、負載效應(yīng)、溫度系數(shù)、輸出紋波與噪聲、輸入反射紋波電流、輸入共模噪聲電流、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、保護特性及工作效率等。
當(dāng)今模塊開關(guān)電源設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)
1 功率密度和模塊開關(guān)電源的散熱
2 低電壓、大電流輸出
3 更為復(fù)雜的電源管理需求
?、匐娫吹呐判?跟蹤;
②輸出電壓范圍;
?、垭娫吹谋O(jiān)控;
?、茈娫聪到y(tǒng)的故障監(jiān)測、響應(yīng)和保護等。
導(dǎo)致模塊開關(guān)電源工作效率低的主要因素
模塊開關(guān)電源的損耗
大功率模塊開關(guān)電源的損耗主要有高頻開關(guān)損耗、高頻變壓器損耗、整流損耗和線路傳導(dǎo)損耗4部分。而在低電壓大電流輸出的應(yīng)用場合,整流損耗和線路傳導(dǎo)損耗占有較大的比重,輸出電壓越低,輸出電流越大,則整流損耗和線路傳導(dǎo)損耗占模塊開關(guān)電源總損耗的比重越大。
(2)整流二極管的損耗與同步整流
在傳統(tǒng)的整流中采用二極管整流,而在低電壓輸出條件下一般采用肖特基二極管整流,肖特基二極管和其他整流二極管相比具有開關(guān)速度快,正向電壓降低的優(yōu)點,但是肖特基二極管的正向電壓降和整流輸出電流的大小有關(guān),整流輸出電流越大則正向電壓降越大,有可能高達0.5~0.6V或更大,并且肖特基二極管的反向漏電流較大。
而同步整流技術(shù)利用導(dǎo)通電阻小,低耐電壓的場效應(yīng)管(MOSFET)來代替普通整流二極管。由于同步整流MOSFET具有導(dǎo)通電阻低(一般只有幾mΩ)、阻斷時漏電流小、開關(guān)工作頻率高的特點,可以極大的減小電源整流部分的功耗,使電源系統(tǒng)的工作效率明顯得到提高,但是在具體應(yīng)用中同步整流的實現(xiàn)要比二極管整流要復(fù)雜些。在開關(guān)電源的低電壓大電流輸出應(yīng)用場合,同步整流技術(shù)有著很好的應(yīng)用前景。
(3)磁性元器件的損耗
變壓器損耗也是模塊開關(guān)電源損耗的重要部分,變壓器損耗主要有鐵損和銅損。鐵損是指由由變壓器的材料、形狀、工藝結(jié)構(gòu)等有關(guān)因素而引起的高頻損耗,銅損是指由變壓器繞組線路而引起的傳導(dǎo)損耗,為了減小變壓器的鐵損,應(yīng)選擇高頻特性好、高頻損耗小、磁芯結(jié)構(gòu)形狀合理、結(jié)構(gòu)緊湊的磁芯材料。
同時為了減小模塊開關(guān)電源的體積,應(yīng)盡力提高模塊開關(guān)電源的開關(guān)工作頻率,如要提高到500kHz左右或更高,普通磁芯材料的損耗很大,磁芯很容易過熱而磁飽和,以至無法正常工作,所以在模塊開關(guān)電源中必須選用磁特性優(yōu)良的高頻磁芯材料。
磁性元器件的尺寸大小和開關(guān)工作頻率有密切關(guān)系,在磁性元器件允許的工作頻率范圍內(nèi),磁性元器件的尺寸和開關(guān)工作頻率成反比,要想減小模塊開關(guān)電源高頻開關(guān)變壓器和電感等磁性元器件的體積,需提高開關(guān)工作頻率。
同時,模塊開關(guān)電源中高頻開關(guān)變壓器繞組的設(shè)計也很重要,高頻開關(guān)變壓器的繞組不僅對銅損有影響,而且關(guān)系到高頻開關(guān)變壓器繞組間的耦合,對高頻開關(guān)變壓器的鐵損也有影響,高頻開關(guān)變壓器的設(shè)計和制作對模塊開關(guān)電源的工作性能有很大的影響。
模塊開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
模塊開關(guān)電源的以下幾個發(fā)展動向值得注意。
●功率密度越來越高,低電壓(例如,輸出電壓低于3.3V或更低)、大電流輸出。同時模塊開關(guān)電源的瞬時負載動態(tài)響應(yīng)特性要快;
●使用的高可靠性,工作安全性要求越來越高;
●工作效率越來越高(例如美國能源之星的有關(guān)要求);